二相編碼雷達(dá)信號(hào)及常見問題處理

摘 要：二相編碼信號(hào)是常用的脈壓雷達(dá)信號(hào)，具有較強(qiáng)的似噪聲性和良好的低截獲概率特性。介紹了二相編碼信號(hào)及幾種較好的可用于脈沖雷達(dá)的信號(hào)形式，給出了二相編碼應(yīng)用時(shí)所遇到的主要問題及處理方法，提出了處理距離遮擋、距離旁瓣、多普勒敏感的新思路。

關(guān)鍵詞：二相編碼;距離旁瓣;多普勒敏感;雷達(dá)

中圖分類號(hào)：TN97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0500803

Bi-phase Coded Radar Signal and Problems Resolving

JI Changhua，ZHANG Xiuli

(No.27th Research Institute，China Electronic Technology Group Corporation，Zhengzhou，450015，China)

Abstract：Binary phase coded signal is the common pulse-compress radar signal，has relatively strong characteristic of noise similarity and good characteristic of LPI.Several kinds of signals that can be used to pulse radar are introduced in this paper.Main problems and solving methods applied these signals to the radar are presented.Some new methods which will be used to handle distance-hiding，distance sidelobe，Doppler sensitivity are given as well.

Keywords：bi-phase code;distance sidelobe;Doppler sensitivity;radar

1 引 言

相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)^[1]是把編碼信息調(diào)制在載波相位中的一種雷達(dá)，實(shí)踐中以二相編碼應(yīng)用為多。在二相編碼的應(yīng)用中，有三個(gè)不可回避的問題，即距離遮擋、距離旁瓣和多普勒敏感。

本文介紹了二相編碼信號(hào)及幾種較好的可用于脈沖雷達(dá)的信號(hào)形式^[2]，給出了二相編碼應(yīng)用時(shí)所遇到的主要問題及處理方法。另外，從損失函數(shù)的角度論述了距離遮擋問題，提出了采用偽隨機(jī)中斷的方式來解決距離遮擋；取長(zhǎng)的二相編碼信號(hào)并不能無限提高主旁瓣比，因此提出用信號(hào)綜合設(shè)計(jì)，即采用復(fù)雜信號(hào)的方法提高距離主旁瓣比；對(duì)于多普勒敏感，提出一種簡(jiǎn)便的分段相關(guān)算法。

2 二相編碼信號(hào)

一般的相位編碼信號(hào)的復(fù)數(shù)形式表達(dá)式可以寫成：

模糊函數(shù)是從時(shí)間和頻率兩個(gè)方面對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析的。二相編碼信號(hào)的模糊函數(shù)大多呈近似圖釘型，有比較高的距離和多普勒分辨能力。

二相編碼信號(hào)的帶寬B與子脈沖帶寬相近，即：

因此，采用長(zhǎng)的二相碼序列，能得到具有大時(shí)寬帶寬積的脈沖壓縮信號(hào)。

3 幾種非周期自相關(guān)特性良好的二相編碼序列

連續(xù)波雷達(dá)一般利用二相編碼的周期特性，而脈沖雷達(dá)更多是利用編碼的非周期特性。比較常見的非周期自相關(guān)特性良好、模糊函數(shù)特性也比較理想的序列有下面幾種，巴克碼(或稱完備碼)、準(zhǔn)完備碼(有雷達(dá)手冊(cè)上稱為最佳編碼或“優(yōu)良”碼)、組合巴克碼、m碼、“重合不多于一”碼、MAC序列、L序列等，這些編碼可以滿足不同的應(yīng)用要求。

4 主要問題及處理方式

4.1 距離遮擋與損失函數(shù)

脈沖雷達(dá)都存在距離遮擋問題，脈沖時(shí)延越小，距離遮擋越短，反之越長(zhǎng)。表征距離遮擋一般采用損失函數(shù)。

由圖2可知，雖然其損失函數(shù)圖比較平坦，但是接收到的序列仍不到總長(zhǎng)度的35%，接收能量不足，這對(duì)于信號(hào)的檢測(cè)不利。

當(dāng)X1，X2為不規(guī)則序列，如用碼長(zhǎng)為31的m碼作為開關(guān)序列，占空比為0-483 9時(shí)其損失函數(shù)圖見圖3。

這種情況較前兩種情況都有所改善，占空比沒有下降，損失函數(shù)也趨于平坦，是一種相對(duì)比較理想的圖形。

關(guān)于解決距離遮擋的方法，國(guó)外也提出了“與距離匹配”的信號(hào)設(shè)計(jì)方法，即為了解決距離遮擋，采用不同時(shí)間長(zhǎng)度的信號(hào)形式，以探測(cè)不同距離上的目標(biāo)。國(guó)內(nèi)的許多雷達(dá)設(shè)計(jì)也采用這一思路。

另一種方法是對(duì)信號(hào)回波進(jìn)行部分相關(guān)處理。雖然存在距離遮擋，但回波已經(jīng)滿足目標(biāo)檢測(cè)的需要，只要進(jìn)行部分相關(guān)處理即可。這里面有兩個(gè)問題:一是需要選擇部分相關(guān)特性好的編碼，二是不至于使距離旁瓣問題惡化。

第三種方法是對(duì)信號(hào)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，把開關(guān)序列設(shè)計(jì)成偽隨機(jī)中斷形式，既可有效解決距離遮擋，又可改善距離旁瓣，如圖3所示。下面再給出一個(gè)參考信號(hào)。

上面是兩個(gè)發(fā)射開關(guān)序列，每個(gè)發(fā)射序列被一個(gè)不同的63位m碼調(diào)制。兩個(gè)發(fā)射序列之間是接收時(shí)段，長(zhǎng)度根據(jù)不同的距離要求設(shè)定。63位m碼調(diào)制中，1又被二相編碼調(diào)制，0則作為接收。不同脈沖的相位編碼可以是不一樣的，以獲得很好的距離-多普勒旁瓣，約為45～50 dB。

4.2 距離旁瓣及常用處理方法

距離旁瓣產(chǎn)生的原因，主要是雷達(dá)采用的相位相關(guān)特性不理想及目標(biāo)存在多普勒頻移。

旁瓣的存在對(duì)距離信息的檢測(cè)不利。對(duì)于小功率信號(hào)而言，大功率信號(hào)的旁瓣對(duì)他的影響很大，甚至可以把小目標(biāo)的主瓣淹沒在大目標(biāo)的旁瓣里，這樣就會(huì)引起目標(biāo)信息的丟失。

實(shí)際上，每種脈沖壓縮方法都會(huì)產(chǎn)生距離旁瓣，因?yàn)槿魏我粋€(gè)距離單元的旁瓣都將作為目標(biāo)出現(xiàn)在相鄰距離單元中，所以在高目標(biāo)密度、目標(biāo)反射率變化或擴(kuò)展雜波等可能的應(yīng)用中，旁瓣抑制是關(guān)鍵問題。

在實(shí)現(xiàn)相位編碼雷達(dá)抑制旁瓣問題上，人們做了大量的研究工作，也獲得了一些切實(shí)可行的方法，這里簡(jiǎn)單介紹幾種主要方法。

(1) 失配濾波處理

失配濾波是通過壓縮濾波器后的響應(yīng)，來降低積累旁瓣電平的方法。

對(duì)于任意離散相位編碼波形，均可解析地導(dǎo)出任意長(zhǎng)度的最佳積累旁瓣抑制濾波器。給定一個(gè)長(zhǎng)度為M的碼和希望的失配濾波器長(zhǎng)度N，根據(jù)最佳濾波器的未知系數(shù)，可導(dǎo)出輸出波形的旁瓣結(jié)構(gòu)中的總能量表達(dá)式。實(shí)現(xiàn)最佳化的方法是使該表達(dá)式對(duì)其未知系數(shù)的所有偏導(dǎo)數(shù)均等于零。結(jié)果得到有N個(gè)未知數(shù)的N個(gè)線性方程構(gòu)成的方程組，他的解即最佳系數(shù)的集合。對(duì)于給定的失配長(zhǎng)度，這樣導(dǎo)出的濾波器就能實(shí)現(xiàn)積累旁瓣最小化。重要的是，這樣一來，他們同樣會(huì)使峰值旁瓣電平相當(dāng)快地降低。

(2) FFT[CD#*2]IFFT法去除大功率信號(hào)

該方法的思路是通過在頻域取出或去除大功率信號(hào)得以實(shí)現(xiàn)。這種方法思路直觀簡(jiǎn)單，而且適用較廣，但由于有殘余信號(hào)，多次濾除后，效果會(huì)越來越差。

(3) 對(duì)信號(hào)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，把發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)成偽隨機(jī)中斷形式，既可有效解決距離遮擋，又可改善距離旁瓣，這在上節(jié)已經(jīng)講述。

4.3 多普勒頻移及常用處理方法

在相位編碼雷達(dá)中，存在著多譜勒敏感問題。多普勒容限取決于二相碼的長(zhǎng)度與子碼寬度的乘積。

當(dāng)有大于39-3 kHz的多普勒頻移存在時(shí)，接收時(shí)的相關(guān)處理增益損失很大，這時(shí)的壓縮主瓣(峰值)將幾乎衰減為零，而旁瓣則會(huì)急劇抬高，嚴(yán)重影響了目標(biāo)檢測(cè)。

編碼的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，多普勒頻移越高，多普勒容限問題越嚴(yán)重。為了消除多普勒敏感帶來的影響，有兩種方法可以采用：

(1) 失配濾波

對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行必要的頻率補(bǔ)償，使能夠有相關(guān)峰輸出。問題是如果補(bǔ)償?shù)耐ǖ罃?shù)量增加許多，設(shè)備量會(huì)迅速上升。

(2) 分段相關(guān)處理

先根據(jù)應(yīng)用情況確定最大的多普勒頻率，相應(yīng)地確定多普勒頻移。當(dāng)相關(guān)處理的分段間隔長(zhǎng)度小于多普勒相移π/4時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)的多普勒對(duì)編碼信號(hào)影響是比較小的。

經(jīng)過簡(jiǎn)單的參數(shù)變換，模糊函數(shù)可以變?yōu)殡x散傅立葉變換表達(dá)式：

他表示分段內(nèi)的相關(guān)函數(shù)。

分段相關(guān)適合于脈沖重復(fù)周期不一致、有一定長(zhǎng)度，并且前后周期內(nèi)的編碼不同信號(hào)的處理。當(dāng)應(yīng)用于規(guī)則的脈沖壓縮信號(hào)，并且分段長(zhǎng)度等于脈沖重復(fù)周期PRT時(shí)，這樣的計(jì)算與常規(guī)處理相等效。

分段長(zhǎng)度不需要考慮編碼持續(xù)時(shí)間的寬度。

5 結(jié) 語

相位編碼雷達(dá)發(fā)射的是一種擴(kuò)頻信號(hào)，因而具有較強(qiáng)的抗干擾能力和良好的低截獲概率特性。上面提到的問題處理方法部分已經(jīng)在實(shí)際中應(yīng)用，并且有比較好的效果。但是，有關(guān)相位編碼在雷達(dá)中的應(yīng)用問題，需要更進(jìn)一步地探討和研究。

參考文獻(xiàn)

［1］丁鷺飛，張平.雷達(dá)系統(tǒng)[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1984.

［2］張直中.雷達(dá)信號(hào)的選擇與處理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”